熱膨張による加工誤差について

Question

いつもお世話になっております

今回は熱膨張について教えていただきたいです

加工内容としましては、材料がSUS304、直径9/16"DIA(14.285mm)のバー材からワッシャーを数百個加工します

形状は以下の通りです
外径Φ12.730～12.743
内径Φ8.432～8.559
厚み0.711～0.812

NC旋盤で加工しているのですが、公差の厳しい外径が安定しません

できれば夜間の自動運転をしたいのですが、安定しないため10個ごとに測定しています

加工順序は外径荒→内径ドリル→外径仕上げ→内径仕上げ→突っ切りです。

朝機械を立ち上げた時や、バーフィーダーの摩擦熱による材料の温度上昇、加工熱、などが原因だと推測しております

熱膨張をなくすことは無理だとは思いますが、できるだけ安定した加工をするにはどういったことを気をつけたらいいでしょうか？

加工順序に問題はないでしょうか？

今考えてるのは
・ドリル加工で熱がかかる前に外径を仕上げればそのあとに熱がかかっても冷えれば元に戻るのではないかと。
・加工前に主軸を数分回し、バーフィーダーの熱を材料に与えておく

今は材料がないのでトライができませんが、材料が手に入り次第いろいろ試してみようと思いますのでアドバイスを頂きたいです

宜しくお願いします

Accepted Answer

うーん、外径公差が厳しいですね。

加工のタクトタイムはそれほど長くないと思われ、また被削材がSUSで
熱伝導率が低いので、加工熱の影響はあまり大きくないと考えます。

(1)さんのご指摘通り、機械の熱変位とインサートの摩耗が曲者です。

機械の熱変位に関しては、
?暖機運転を行なう
?一日を通しての室温変化を極力抑える
?切削油量をこまめにチェックして常に満杯にする
が有効です。
夜間も自動運転可能とのことですが、?が機械や切削油に対して大きく
影響を及ぼしますので、注意して下さい。

刃先の自動測定機能がついていれば、30～60分に一度測定し、補正を更新
することが一番効果的なのですが．．．

材料の温度もさることながら、主軸近傍、機械ベッド、切削油、
室温、を測定することをお勧めします。
30分～60分おきでも構わないので、一日の変化を掴んでみる
ことが、機械の熱変位の傾向確認には大切です。

質問者さんが何のベネフィットも得られない無意味な回答(5)は
無視して下さい（旋盤のせの字もご存じないお方です）。

回答(3)さんのご指摘もごもっともです。
先ずは小難しい話は置いといて、機械近傍の室温変化だけ確認して
みてください。
工場が24時間空調していれば問題なし。
朝いちばんに暖房を入れて、室温が10℃も変化するようですと、機械
に物凄く影響します。
一般的に、機械筐体の温度は室温変化に対し数時間遅れて追従します。

あと機械の近くに、トラックやフォークの搬送口なんかがあると、
温度変化が激しくなります。

蛇足の蛇足です

ここ数年で機械の熱変位抑制・補正は論文の世界から実用的な技術
へと飛躍的に向上しました。
例えばオークマの工作機械は、環境温度変化、主軸発熱や切削熱の
影響を巧みに補正・コントロールして、1ミクロン単位の高精度加工
を実現しています。
次に機械を導入される際は、このような機能・技術も着目されること
をお勧めします。

Answer

工作機械の熱変位対策として、外部的な要因は下記の点となります。
1.エアコンの風などが、機械のベットにあたっていないか？
2.窓からの直射日光による熱変位

機械としての熱変位はベットに熱が加わり姿勢変化することです。
a.主軸、サドル、バーフィーダ等の暖気運転(機械の熱発生源を安定させる）
b.切削液が直接ベットにかかっている場合は液温調整器
c.油圧ユニット等の排熱がベットに当たらないようにする

これらが最新の工作機械のメカ的要素で比較的簡単な熱変位対策です。
上記5点を考慮してみてはいかかでしょうか？

Answer

回答（1）、（2）、（3）に同意。
蛇足回答になるかもしれないが、、、

材料のSUS304の熱膨張率から計算すると、
10℃の変化で2ミクロン程度の外径膨張と見積もられる。（φ12.7）
クーラント使用で、加工ごとにワーク温度が数十度もばらつくことは考えにくい。

機械側の温度条件が、細かい話を除いて、10℃変化した場合、変位　2ミクロンではすまないだろうと思う。

まずは、機械側の温度変化が目安として10℃以内に収まっているか確認して、暖機運転の時間/内容を見直すべきだろう。
主軸、油圧、クーラントははずせない。

暖機運転でも温度条件が安定しないとなったら、周辺温度管理（恒温室？）もレベルアップしないといけないかも。

温度安定＝発熱安定＋放熱安定。
温度安定＝＞バラツキ安定。

Answer

自動工具長測定器
http://www.plus3.jp/original.html
↑
これは後付けようだけど

こういうのを使えば加工中に
工具長を測れるのでいろいろ使える

また自動原点だしができれば測定しながら加工もできる

Answer

先日、ポリウレタン機械加工を見た。当然ゴムなので熱膨張は金属の比でない。
しかも無理やり削り代を多くしても変形するし、熱変形も大きくなるようだ。
それでも加工後にレーザで外形を測定し、冷えた後の寸法を予測しつつ加工を
するのに恐れいった。何事も成せば成る。成らぬは気持ちの問題だろうかと。
経験と更に良い精度の製品を作り出したいという工夫が名人を生むのだろう。

Answer

回答（３）の先生と同じで、できるだけ恒温室で、計測値のフィードバック加工が

設備仕様に盛り込まれているケースが多いです。

できるだけ恒温室；昇温のパターンをスタートの温度から一定にして、バラツキを抑える。

計測値；実際の変化を確認し、補正する。

以上が、目的です。

熱膨張による加工誤差について